KR100228239B1 - 제품질소 농도에 따른 압력변동흡착식 질소제조장치와 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공기 중에서 질소를 선택적으로 흡착하는 제올라이트 분자체를 흡착제로 충진한 흡착탑을 압력변동흡착법으로 운전하여 공기로부터 질소를 농축하여 제조하는 방법에 있어서, 공기중의 CO₂와 수분을 제거하는 전처리공정에 2개의 전처리탑을 사용하고 전처리공정에서 정제된 공기를 도입하여 질소를 농축, 분리하는 주분리공정에 제올라이트 분자체가 충진된 2개의 질소분리탑을 사용하여 전처리 공정의 한주기가 주분리공정의 두 주기가 되게 운전하면서 제품질소 순도가 낮은 경우에 생산성을 향상시킨 압력변동흡착식 질소제조장치에 관한 것으로서 전처리 공정은 순차적으로 승압스텝-흡착스텝-감압스텝-일차 세정스텝-휴지스텝-이차 세정스텝으로 이루어지고, 주분리공정은 순차적으로 승압스텝-흡착스텝-세정스텝-탈착스텝으로 구성되어 있으며 주분리공정의 흡착스텝과 세정스텝의 배가스가 전처리탑의 세정에 사용된다.

Description

제품질소 농도에 따른 압력변동흡착식 질소제조장치와 방법

본 발명은 공기 중에서 질소를 선택적으로 흡착하는 제올라이트 분자체를 흡착제로 충진한 흡착탑을 압력변동흡착법(PSA:Pressure Swing Adsorption)으로 운전하여 공기로부터 질소를 농축하여 제조하는 방법에 있어서, 제품질소의 농도에 따라 생산성을 높이기 위한 장치와 방법에 관한 것이다.

공기로부터 질소를 농축 분리하는 PSA질소제조장치에는 흡착제로서 탄소분자체(carbon molecular sieve)를 사용하는 방식과 제올라이트 분자체(zeolite molecular sieve)를 사용하는 방식이 있다.

탄소분자체를 사용하는 PSA질소제조장치는 탄소분자체에 대한 산소의 흡착속도가 질소보다 25-30배 정도 빠른 것을 이용하여 산소를 흡착시키고 질소를 농축시키는 방법으로서 거의 2탑식으로 이루어져 있으며 주로 99~99.9%의 제품질소를 생산하는 데 사용되고 있고 99.9%이상에서는 탈산소장치를 부착하여 사용한다.

그리고 제올라이트 분자체를 사용하는 PSA질소 제조장치는 제올라이트 분자체에 대한 질소의 평형흡착량이 산소보다 큰 것을 이용하여 제올라이트 분자체에 흡착된 질소를 탈착하여 제품으로 취하는 방법으로서 99.99-99.999% 정도의 고순도 질소를 생산하는데 주로 사용되고 있다.

제올라이트 분자체를 사용하는 PSA질소제조공정의 특징은 제품질소의 순도를 높이기 위하여 질소와 함께 흡착제에 공흡착된 산소와 흡착탑 빈공간에 남아있는 산소를 탈착된 제품질소의 일부를 도입하여 세정한 다음에 진공 탈착하여 제품가스로 취한다는 것이며, 장치의 구성은 공기중의 수분과 CO₂를 제거하는 2개의 전처리탑과 전처리탑을 통과한 가스에서 N₂와 O₂를 분리하는 3개의 질소분리탑으로 이루어져 있다.

예컨대 한국 특허 제 83255호 (1995년)와 일본특허 공보 평2-64004호는 제올라이트 분자체를 흡착제로 사용하여 상기와 같은 장치 구성으로 고순도 질소를 생산하는데, 3개의 질소분리탑으로 이루어진 주분리공정의 공정 구성은 제1도에서 보이는 바와 같이 순차적으로 이루어져 있다.

주분리공정을 상세히 설명하면 탈착이 끝난 흡착탑으로 전처리공정에서 수분과 CO₂가 제거된 원료공기를 도입하여 탑의 압력을 흡착압력까지 높이는 승압스텝, 승압스텝이 끝난 흡착탑으로 계속 원료공기를 공급하면서 N₂를 흡착스텝이 끝난 흡착탑으로 다른 탑의 세정스텝에서 배출되는 배기가스를 도입하여 원료공기보다 질소 농도높은 부분을 회수하는 회수스텝, 다른 탑의 스텝 운전에 맞추어 잠시 쉬는 휴지스텝, 흡착스텝이 끝난 탑으로 탈착된 질소가스의 일부를 환류시켜 탑내의 산소를 질소로 씻어내는 세정스텝, 세정스텝이 끝난 탑의 진공펌프를 사용하여 감압시켜 흡착되어 있는 질소를 탈착하여 제품가스로 취하는 탈착스텝으로 구성되며 각 흡착탑이 서로 스텝이 겹치지 않게 운전한다.

질소 PSA공정의 성능은 주어진 제품가스의 농도에서 생산성(단위흡착제당 단위시간에 생산하는 제품가스의 양)과 회수율{(제품가스 중의 N₂양/원료가스 중의 N₂DID) × 100}로 나타내는데 제품질소의 농도가 낮을수록 생산성이 커지고 회수율이 증가하여 장치 크기가 줄어들고 전력원단위가 낮아진다.

그러나 제올라이트 분자체를 사용한 질소 PSA공정은 99.95%이상의 고순도 질소를 생산할 경우에는 세정스텝에서 배출되는 배가스 중의 질소 농도가 원료가스중의 질소농도보다 높으므로 이를 흡착스텝이 끝난 다른 탑으로 도입하여 질소 농도 높은 부분을 회수함으로써 생산성과 회수율을 높이기 위하여 주분리공정에 3개의 질소분리탑이 필요하지만, 제품 질소의 농도가 이보다 낮을수록 세정배가스의 질소 농가 낮아져서 회수스텝의 영향이 줄어드므로 생산성과 회수율 증가가 둔해진다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 제품 질소의 순도가 99.95%보다 낮은 경우에 전처리공정에 2개의 전처리탑을 사용하고 주분리공정에 2개의 질소분리탑을 사용하여 회수스텝이 없이 운전함으로써 3개의 질소분리탑을 사용한 경우보다 생산성을 증가시키고 질소PSA장치를 간단화시키는 장치 및 방법을 제공하는데 있다.

상기와 같은 본 발명의 목적은 공기로부터 질소를 생산하는 압력변동흡착식 질소제조장치에 있어서, 공기중의 CO₂와 수분을 제거하는 전처리공정에 2개의 전처리탑에 설치하고 전처리공정에서 정제된 공기를 도입하여 질소를 농축, 분리하는 주분리공정에 제올라이트 분자체가 충진된 2개의 질소분리탑에 설치하여 전처리공정의 한주기가 주분리공정의 두 주기가 되게 운전하면서 제품질소 순도가 낮은 경우에 생산성을 향상시킨 것을 특징으로 하는 제품질소 농도에 따른 압력변동흡착식질소제조장치를 제공함으로써 달성된다.

상기와 같은 본 발명의 다른 목적은 공기로부터 질소를 생산하는 압력변동 흡착식 질소제조 방법에 있어서, 전처리공정은 원료공기와 정제공기를 이용하여 탑의 압력을 흡착스텝 압력으로 높이는 승압스텝과 승압스텝이 끝난 탑으로 원료공기를 도입하여 CO₂와 수분을 흡착하고 정제공기를 생산하는 흡착스텝과 흡착스텝이 끝난 탑의 압력을 떨어뜨리는 감압스텝과 탈착스텝이 끝난 탑으로 주분리공정 한 탑의 흡착스텝 배가스와 세정스텝 배가스를 도입하여 흡착된 CO₂와 수분을 씻어내는 일차 세정스텝과, 일차 세정스텝이 끝난 탑으로 주분리공정과 연계하여 쉬는 휴지스텝과 휴지스텝이 난 탑으로 주분리공정 다른 탑의 흡착스텝 배가스와 세정스텝 배가스를 도입하여 흡착된 CO₂와 수분을 씻어내는 이차 세정스텝으로 구성하고; 주분리공정은 전처리공정에서 발생된 정제공기를 도입하여 질소분리탑의 압력을 흡착압력으로 높이는 승압스텝과 승압스텝이 끝난 탑으로 정제공기를 계속 도입하면서 질소를 흡착시키고 질소 농도가 낮은 가스를 전처리탑으로 배출하는 흡착스텝과 흡착스텝이 끝난 탑으로 다른 질소분리탑에서 탈착된 고순도 질소 가스의 일부를 병류로 도입하여 탑내의 산소와 아르곤을 질소로 치환, 탈착하여 탑내의 질소 농도를 높이면서 탈착된 가스를 전처리탑으로 배출하는 세정스텝과 세정스텝이 끝난 탑의 압력을 진공펌프를 사용하여 떨어뜨려서 흡착되어 있던 질소를 탈착시켜 제품가스로 얻는 탈착스텝으로 구성하여 전처리공정 한주기가 주분리공정 두주기가 되도록 전체 공정을 구성하여 이를 되풀이 하면서 연속적으로 공기로부터 질소를 제조하는 것을 특징으로 하는 제품질소 농도에 따른 압력 변동흡착식 질소제조방법을 제공함으로써 달성된다.

제1도는 3개의 질소분리탑을 사용한 PSA질소제조장치 공정구성도이고,

제2도는 2개의 질소분리탑을 사용한 PSA질소제조장치 공정구성도이며,

제3도는 2개의 질소분리탑을 사용한 PSA질소제조장치도이고,

제4도는 2탑식과 3탑식 공정의 생산성 비교도이며,

제5도는 2탑식 주분리공정의 탑내 압력변화이고,

제6도는 3탑식 주분리공정의 탑내 압력변화도이며,

제7도는 2탑식과 3탑식 고정의 회수율 비교도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1A, 1b : 전처리탑 2A, 2B : 질소분리탑

3 : 원료 공기 공급관 4 : 정제공기 공급관

5, 7 : 관 8 : 밸브

12, 15, 16, 17, 18, 20, 21, 22, 23 : 밸브

VI : 진공펌프 H1 : 정제 공기 저장조

H2 : 제품질소 저장소 C1 : 압축기

이하에는 본 발명의 요지를 제2도와 제3도을 기준으로 하여 공기중의 수분과 CO₂를 흡착하여 제거하는 2개의 전처리탑과 정제된 공기를 도입하여 질소를 농축, 분리하는 2개의 질소분리탑으로 이루어진 PSA장치를 이용하여 공기로부터 농축 질소를 제조하는 공정에 대하여 상세히 설명하고자 한다.

제3도의 PSA질소제조장치에서 흡착제의 재생이 끝난 상태에 있는 전처리탑(1A)와 질소분리탑(2A)를 중심으로 공정구성 및 운전방법에 대해 설명한다.

공정구성은 전처리공정과 주분리공정으로 이루어져 있으며, 전처리공정 1주기는 주분리공정 2주기에 해당한다.

먼저 재생이 끝나고 대기압 상태에 있는 전처리탑(1A)로 원료공기가 압축기(C1)으로 압축되어 원료공기 공급관(3), 밸브(8)를 통하여 공급되고 동시에 탑상부로는 정제 공기 저장조(H1)에서 정제 공기가 밸브(12)를 통하여 공급되면서 전처리탑(1A)의 압력을 흡착압력가지 승압한다(전처리공정 승압스텝).

이 동안에 전처리탑(1B)는 흡착제를 재생하기 위하여 밸브(11)가 열리어 탑의 압력을 흡착압력에서 대기압까지 떨어뜨린다(전처리공정 감압스텝).

이때 진공상태에 있는 주분리공정의 질소분리탑(2A)로는 정제 공기 저장조(H1)의 정제 공기가 압력조절기 PC에서 주분리공정의 흡착압력으로 조절되어 정제 공기 공급관(4), 밸브(16)를 통하여 공급되면서 흡착압력으로 승압된다(주분리공정 승압스텝).

이 동안에 질소분리탑(2B)는 밸브(23)가 열리고 진공펌프 (VI)으로 압력을 떨어뜨려 흡착되어 있는 질소를 탈착하여 제품질소 저장조(H2)로 보내지며 보내진 가스는 제품가스로 얻어진다(주분리공정 탈착스텝).

이 다음에는 원료공기가 압축기(C1)으로 압축되어 원료공기 공급관(3), 밸브(8)를 통하여 전처리탑(1A)로 공급되면서 원료공기 중의 CO₂와 수분이 흡착, 제거되어 밸브(12)를 통하여 저장조(H1)으로 보내어진다(전처리공정 흡착스텝).

상기에서 저장조(H1)의 정제공기는 압력조절기 PC와 밸브(16)를 통하여 질소분리탑(2A)로 공급되어 질소를 흡착하고 출구로는 밸브(20)를 열어서 질소농도가 낮은 배가스를 배출한다(주분리공정 흡착스텝).

이 주분리공정 흡착스텝의 배가스는 관(5), 밸브(15)를 통하여 전처리탑(1B)로 보내어져서 전처리탑을 세정하면서 전처리탑 (1B)에 흡착되어 있던 수분과 CO₂를 밸브(11)를 통하여 밖으로 배출한다(전처리공정 세정스텝).

이 동안에 질소분리탑(2B)는 탈착스텝을 계속 수행한다.

이 다음에는 전처리탑 (1A)는 계속 흡착스텝을 수행하고, 질소분리탑(2A)로는 밸브(16)가 닫히고 제품질소 저장소(H2)에 있는 질소가스가 관(7), 밸브(18)를 공급되면서 탑내에 남아있던 산소와 아르곤을 질소로 치환, 탈착시켜 밸브(20)를 통하여 배출한다(주분리공정 세정스텝).

이 주분리공정 세정배가스는 관(5), 밸브(15)를 통하여 전처리탑(1B)로 공급되어 전처리탑 세정에 사용된다.

이 동안에 질소분리탑(2B)는 탈착스텝을 계속 수행하는데 탈착된 질소가스는 저장조(H2)로 보내져서 일부는 제품가스로 얻어지고 일부는 관(7)과 밸브(18)를 통해 질소분리탑(2A)의 세정에 사용된다.

이 다음에는 전처리공정의 전처리공정의 전처리탑(1A)는 계속 흡착스텝을 수행하고, 전처리탑(1B)는 휴지스텝으로 들어가며 이와, 동시에 주분리공정의 질소분리탑(1A)는 밸브(18,20)가 닫히고 밸브(22)가 열리어 진공펌프(VI)으로 탑의 압력을 떨어뜨려 제품질소를 취하는 탈착스텝을 수행하며 질소분리탑(2B)는 밸브(23)를 닫고 밸브(17)를 열어서 정제공기 저장조(H1)에 있는 정제공기를 압력조절기 PC, 관(4)을 통해 도입하여 흡착압력으로 승압된다.

이 다음에는 전처리공정의 전처리탑 (1A)는 계속 흡착스텝을 수행하고 전처리탑(1B)는 세정스텝을 수행하며, 주분리 공정의 질소분리탑(2A)는 계속적으로 탈착스텝에 있고 질소분리탑(2B)는 밸브(17)과 밸브(21)가 열리어 흡착스텝을 수행한다.

이 다음에는 전처리탑(1A)는 흡착스텝, 전처리탑(1B)는 세정스텝, 질소분탑(1A)는 탈착스텝을 계속 수행하여 질소분리탑(2B)는 밸브(17)를 닫고 밸브(19)를 열어서 저장조(H2)로부터 질소가스를 관(7)을 통하여 도입하여 탑내에 남아있던 산소와 아르곤을 질소로 치환, 탈착시켜 밸브(21)를 통하여 전처리탑(1B)로 배출하는 세정스텝을 수행한다.

이상과 같이 주분리공정의 한주기가 끝나면 전처리공정은 반주기가 끝나서 다음 주분리공정 한주기 동안에 전처리공정은 전처리탑 (1A)는 감압스텝-일차 세정스텝-휴지스텝-이차 세정스텝을 수행하고 전처리탑(1B)는 승압스텝-흡착스텝을 순차적으로 수행한다.

[실시예 1]

제올라이트 분자체를 흡착제로 사용하는 PSA질소제조장치를 이용하여 공기로부터 질소를 농축, 분리하는 공정에서 질소분리탑을 2개 사용한 경우와 3개 사용한 경우의 생산성을 비교하였다.

공기중의 수분과 CO₂를 제거하기 위해 활성알루미나와 제올라이트 13X가 충진된 내경 2인치, 높이 50

인 전처리탑과 질소를 농축, 분리하기 위해 제올라이트 분자체 Ca-X가 충진된 내경 2인치, 높이 150

인 질소분리탑을 사용하여 제1도과 같이 전처리탑 2개, 질소분리탑 3개로 운전하였을 때와 제2도와 같이 전처리탑 2개, 질소분리탑 3개로 운전하였을 때의 제품질소 농도에 따른 생산성 변화를 제4도에 3도시하였다.

제4도에서 보이는 바와같이 제품질소의 농도가 낮을수록(즉, 제품가스 중의 산소 농도가 높을수록)3개의 질소분리탑 운전보다 2개의 질소분리탑 운전이 생산성일 높았다.

이때 2탑식과 3탑식 장치의 주분리공정에서의 탑내 압력변화를 각각 제5도와 제6도에 도시하였고 스텝시간은 다음과 같다.

2탑식 주분리공정 스텝시간 : 승압스텝 10초, 흡착스텝 5초, 세정스텝 50초, 탈착스텝 65초

3탑식 주분리공정 스텝시간 : 승압스텝 10초, 흡착스텝 5초, 회수스텝 50초, 휴지스텝 15초

그리고 회수율은 제7도에서 보이는 바와같이 2탑식이 3탑식보다 낮았지만 제올라이트 분자체를 사용하는 2탑식과 탄소분자체를 사용하는 2탑식 PSA질소제조장치의 회수율은 각각 제품질소 순도가 99.9%에서는 59%와 28%로, 질소순도가 99.5%에서는 67%와 36%로 제올라이트 분자체를 사용하는 2탑식이 매우 높으므로 탄소분자체를 사용하는 경우에 비해 전처리공정이 포함된다하여도 충분히 경쟁성이 있다고 보여진다.

이와같이 제올라이트 분자체를 사용하는 압력변동흡착식 질소제조장치를 2개의 전처리탑과 2개의 질소분리탑을 사용하여 회수스텝없이 운전함으로써 제품질소 순도가 99.95%보다 낮은 경우에 3개의 질소분리탑을 사용한 것보다 생산성을 향상시킬 수 있었다.

Claims (2)

1. 공기로부터 질소를 생산하는 압력변동흡착식 질소제조장치에 있어서, 공기중의 CO₂와 수분을 제거하는 전처리공정에 2개의 전처리탑(1A)(1B)설치하고 전처리공정에서 정제된 공기를 도입하여 질소를 농축, 분리하는 주분리공정에 제올라이트 분자체가 충진된 2개의 질소분리탑(2A)(2B)설치하여 전처리공정의 한주기가 주분리공정의 두 주기가 되게 운전하면서 제품질소 순도가 낮은 경우에 생산성을 향상시킨 것을 특징으로 하는 제품질소 농도에 따른 압력변동흡착식 질소제조장치.
2. 공기로부터 질소를 생산하는 압력변동 흡착식 질소제조 방법에 있어서, 전처리공정은 원료공기와 정제공기를 이용하여 탑의 압력을 흡착스텝 압력으로 높이는 승압스텝과 승압스텝이 끝난 탑으로 원료공기를 도입하여 CO₂와 수분을 흡착하고 정제공기를 생산하는 흡착스텝과 흡착스텝이 끝난 탑의 압력을 떨어뜨리는 감압스텝과 탈착스텝이 끝난 탑으로 주분리공정 한 탑의 흡착스텝 배가스와 세정스텝 배가스를 도입하여 흡착된 CO₂와 수분을 씻어내는 일차 세정스텝과, 일차 세정스텝이 끝난 탑으로 주분리공정과 연계하여 쉬는 휴지스텝과 휴지스텝이 끝난 탑으로 주분리 공정 다른 탑의 흡착스텝 배가스와 세정스텝 배가스를 도입하여 흡착된 CO₂와 수분을 씻어내는 이차 세정스텝으로 구성하고; 주분리공정은 전처리공정에서 발생된 정제공기를 도입하여 질소분리탑의 압력을 흡착압력으로 높이는 승압스텝과 승압스텝이 끝난 탑으로 정제공기를 계속 도입하면서 질소를 흡착시키고 질소 농도가 낮은 가스를 전처리탑으로 배출하는 흡착스텝과 흡착스텝이 끝난 탑으로 다른 질소분리탑에서 탈착된 고순도 질소 가스의 일부를 병류로 도입하여 탑내의 산소와 아르곤을 질소로 치환, 탈착하여 탑내의 질소 농도를 높이면서 탈착된 가스를 전처리탑으로 배출하는 세정스텝과 세정스텝이 끝난 탑의 압력을 진공펌프를 사용하여 떨어뜨려서 흡착되어 있던 질소를 탈착시켜 제품가스로 얻는 탈착스텝으로 구성하여 전처리공정 한주기가 주분리공정 두주기가 되도록 전체 공정을 구성하여 이를 되풀이 하면서 연속적으로 공기로부터 질소를 제조하는 것을 특징으로 하는 제품질소 농도에 따른 압력 변동흡착식 질소제조방법.

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